光電探測(cè)器標(biāo)定方法

蔡修青，譚逢富，秦來安，靖 旭，侯再紅，吳 毅

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，安徽合肥 230026；2.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，中國科學(xué)院大氣光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031)

0 引言

隨著光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，硅材料的光電探測(cè)器在工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為了確保光電探測(cè)器系統(tǒng)的測(cè)量精度，需要利用標(biāo)準(zhǔn)輻射源對(duì)光電探測(cè)器系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定[1-4]。目前，對(duì)于光電探測(cè)標(biāo)定存在標(biāo)定難度大，標(biāo)定成本高，標(biāo)定效率低等問題。本文通過搭建光電探測(cè)標(biāo)定系統(tǒng)，提出一種新的光電探測(cè)器標(biāo)定方法，該方法具有標(biāo)定精度高、適用性廣等特點(diǎn)。

1 光電探測(cè)器標(biāo)定系統(tǒng)

1.1 標(biāo)定系統(tǒng)搭建

對(duì)于光電探測(cè)器的標(biāo)定，可以將光電探測(cè)器看作一個(gè)系統(tǒng)，將標(biāo)定光源看作系統(tǒng)的輸入量，將光電探測(cè)器的響應(yīng)值看作輸出值，建立起輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就完成標(biāo)定工作。光電探測(cè)器標(biāo)定系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 光電探測(cè)器標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

該標(biāo)定系統(tǒng)主要由標(biāo)定光源、濾光片、濾輪、分光鏡、光斑成像監(jiān)測(cè)單元、功率監(jiān)測(cè)、光電探測(cè)器模塊和二維掃描平臺(tái)組成。在標(biāo)定光電探測(cè)器過程中，標(biāo)定光源的模式要保持不變，盡量維持標(biāo)定光源的出光功率穩(wěn)定，通過改變?yōu)V輪通道得到不同的功率，從而得到光電探測(cè)器的響應(yīng)值。另外，讓光斑成像監(jiān)測(cè)單元和陣列靶模塊到分光鏡1的距離相同，形成共軛，保證光斑監(jiān)測(cè)單元和光電探測(cè)器模塊接收的激光光斑分布大致相同。

對(duì)不同光電探測(cè)器標(biāo)定，只需改變相應(yīng)的標(biāo)定光源和匹配鏡組。在對(duì)硅材料的光電探測(cè)器模塊標(biāo)定時(shí)，標(biāo)定光源為 532 nm的激光光束，對(duì)于光斑監(jiān)測(cè)單元，此時(shí)由可見光 CCD相機(jī)來呈現(xiàn)激光光斑圖像。相機(jī)成像的像素實(shí)際是相機(jī)內(nèi)探測(cè)器響應(yīng)值。在兩處的功率監(jiān)測(cè)，不但可以讀取平均功率值，而且還可以監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)功率變化，反映標(biāo)定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。濾光片的作用是選擇出相匹配波長的激光光束，濾除其他波長的雜散光束。濾輪的作用是對(duì)已濾光的激光功率進(jìn)行定量衰減，從而改變激光功率。探測(cè)器模塊由多個(gè)探測(cè)器組成，在二維自動(dòng)掃描臺(tái)的帶動(dòng)下，可以對(duì)多個(gè)探測(cè)高效率標(biāo)定。

1.2 光電探測(cè)器的實(shí)際功率

由圖1可以看出標(biāo)定光源發(fā)出激光光束，經(jīng)過濾光、衰減后入射到分光鏡，分光鏡將主激光光束按照固定比例分成兩路，其中一路激光光束由光斑成像監(jiān)測(cè)單元接收，并實(shí)時(shí)激光光斑成像，其激光光斑如圖2所示，得到激光光斑的總響應(yīng)值，通過實(shí)時(shí)功率監(jiān)測(cè)，得到入射光斑成像監(jiān)測(cè)單元的平均功率。

圖2 激光光斑圖

通過光斑監(jiān)測(cè)單元和功率監(jiān)測(cè)2，可以獲得每單位響應(yīng)值對(duì)應(yīng)的功率。其公式表述如下：

p1=P1/Usum

(1)

式中：p1為單位響應(yīng)值對(duì)應(yīng)的功率；P1為功率監(jiān)測(cè) 2處的平均功率；Usum為相機(jī)所測(cè)的光斑圖像響應(yīng)值總和。

經(jīng)分光鏡分出的另一路激光光束由探測(cè)器模塊接收，由于探測(cè)器模塊上含有多個(gè)硅材料光電探測(cè)器，探測(cè)器模塊安裝在二維自動(dòng)掃描臺(tái)[5]上，其實(shí)物如圖3所示，當(dāng)激光光束入射到硅材料光電探測(cè)器上時(shí)，探測(cè)器從激光光斑的右下角開始，按照設(shè)定的程序，以一定的橫向速度和縱向步長進(jìn)行弓型二維掃描，直至掃描結(jié)束。其探測(cè)器二維掃描激光光斑示意圖如下圖4所示。

圖3 二維自動(dòng)掃描臺(tái)實(shí)物圖

圖4 硅探測(cè)器二維掃描示意圖

當(dāng)硅探測(cè)器二維掃描到激光光斑時(shí)，經(jīng)過探測(cè)器內(nèi)部電路的濾波、放大和數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，會(huì)得到了通道單元探測(cè)器的響應(yīng)值，為無量綱，一般稱為 ADU值。二維掃描后的響應(yīng)值如圖5所示。

圖5 通道單元探測(cè)器響應(yīng)值

從圖5可以看出，硅探測(cè)器的響應(yīng)曲線輪廓近似高斯分布，并且含有一個(gè)確定的峰值。另外，圖中底部不為零，而是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的背景響應(yīng)值，它可以理解為，在沒有激光光束入射硅探測(cè)器時(shí)，由于硅探測(cè)器存在暗電流的影響，也會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)。暗電流可以看作是噪聲。當(dāng)硅探測(cè)器掃描激光光斑時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)響應(yīng)峰值。它可以理解為通道單元探測(cè)器掃描激光光斑最強(qiáng)部分產(chǎn)生的響應(yīng)。然而，當(dāng)硅探測(cè)器掃描一個(gè)很弱激光光斑時(shí)，由于背景響應(yīng)值的存在，會(huì)占據(jù)此時(shí)的響應(yīng)峰值很大比例，因此，需要引入一個(gè)程控放大倍數(shù)，減小誤差，提高硅探測(cè)器的信噪比。硅探測(cè)器實(shí)際響應(yīng)峰值的計(jì)算公式為

U=(Umax-Ub)/N

(2)

式中：U為硅探測(cè)器實(shí)際響應(yīng)峰值；Umax為硅探測(cè)器響應(yīng)峰值；Ub為硅探測(cè)器背景響應(yīng)值。

結(jié)合式(1)和式(2)，硅探測(cè)器的峰值響應(yīng)所對(duì)應(yīng)功率為

P=p1U

(3)

式中P為硅探測(cè)器減去背景后響應(yīng)峰值的功率。

2 光電探測(cè)器的標(biāo)定原理及方法

本文需要對(duì)硅光電探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)硅探測(cè)器的項(xiàng)目指標(biāo)要求，即能量密度在 0.01～10 μJ/cm2范圍內(nèi)，其測(cè)量精度小于 10%。為此，將相匹配的衰減片進(jìn)行多個(gè)組合，選出硅探測(cè)器各個(gè)測(cè)量點(diǎn)功率如表1所示。

表1 硅探測(cè)器功率測(cè)量點(diǎn)

選擇好硅探測(cè)器的功率測(cè)量點(diǎn)后，為了保證標(biāo)定的準(zhǔn)確性，在同一個(gè)功率點(diǎn)下進(jìn)行多次測(cè)量，減小測(cè)量誤差。

由于需要對(duì)硅探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)定。硅探測(cè)器和標(biāo)定光源相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 通道單元探測(cè)器的相關(guān)參數(shù)

對(duì)硅探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)際上是研究硅探測(cè)器能量密度與實(shí)際響應(yīng)峰值之間的關(guān)系。對(duì)于響應(yīng)峰值，它由硅探測(cè)器光敏源掃描到激光光斑的最強(qiáng)區(qū)域得到的響應(yīng)，因此，硅探測(cè)器能量密度的獲取，需要引入光斑分布比例系數(shù)。獲得光斑分布比例系數(shù)可以通過尋找面的方式獲取，即在光斑監(jiān)測(cè)單元的激光光斑上，以硅探測(cè)器光敏源面積大小相同的區(qū)域作為一個(gè)滑動(dòng)窗口，以一定的橫向速度和縱向步長，在激光光斑上遍歷滑動(dòng)，并實(shí)時(shí)記錄滑動(dòng)窗口的能量值，其滑動(dòng)方式和二維掃描類似，當(dāng)尋找到能量最大的窗口時(shí)，窗口內(nèi)的總能量值與整個(gè)激光光斑總能量值比值，稱為光斑分布比例系數(shù)。其公式表述如下。

A=∑sImax/∑ΩI

(4)

式中：A為硅探測(cè)器光斑分布例系數(shù)；∑SImax為激光光斑上滑動(dòng)窗口內(nèi)能量最大值；∑ΩI為激光光斑總能量值。

按式(4)獲得大光斑分布比例系數(shù)為 0.148，結(jié)合硅探測(cè)器實(shí)際響應(yīng)峰值的功率和光斑分布比列系數(shù)，可以得到硅探測(cè)器的能量密度。其表達(dá)式為

E=PA/(Sf)

(5)

式中：E為硅探測(cè)器能量密度，μJ/cm2；A為光斑分布比例系數(shù)；S為硅探測(cè)器的光敏元面積，cm2；f為標(biāo)定光源的重復(fù)頻率，Hz。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 建立光電探測(cè)器標(biāo)定模型

在硅探測(cè)器標(biāo)定過程中，為了更好地表達(dá)能量密度與響應(yīng)值之間的關(guān)系，建立以下3種數(shù)學(xué)關(guān)系模型，分別為線性模型、折線模型和曲線模型。每種關(guān)系模型都需要對(duì)數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行擬合[6-7]，確保擬合誤差最小，確定硅探測(cè)器的標(biāo)定系數(shù)。當(dāng)沒有標(biāo)定光源入射硅探測(cè)器時(shí)，其響應(yīng)值為零，因此，3種數(shù)學(xué)關(guān)系模型的標(biāo)定曲線都會(huì)經(jīng)過原點(diǎn)。第1種數(shù)學(xué)關(guān)系模型是線性模型，該模型認(rèn)為硅探測(cè)器在其線性區(qū)內(nèi)，不存在非線性因素，它的響應(yīng)是線性的，數(shù)學(xué)表述如下：

E=k1U

(6)

式中k1為線性模型下硅探測(cè)器的標(biāo)定系數(shù)。

第2種數(shù)學(xué)關(guān)系模型是折線模型，這種模型認(rèn)為通道單元探測(cè)器在其線性區(qū)內(nèi)，它的響應(yīng)近似折線形式，數(shù)學(xué)表述如下：

(7)

式中：U0為硅探測(cè)器響應(yīng)臨界值；k1、k2和b為折線模型下硅探測(cè)器的標(biāo)定系數(shù)。

第3種數(shù)學(xué)關(guān)系模型是二次曲線模型，這種模型認(rèn)為硅探測(cè)器在其線性區(qū)內(nèi)，存在暗電流因素影響，它的響應(yīng)近似曲線形式，數(shù)學(xué)表述如下。

E=k1U2+k2U

(8)

式中k1和k2表示曲線模型下硅探測(cè)器的標(biāo)定系數(shù)。

對(duì)常見的硅材料的探測(cè)器，它對(duì)溫度不敏感，一般在其線性區(qū)內(nèi)，其響應(yīng)接近線性，只需對(duì)該材料硅探測(cè)器響應(yīng)差的做校準(zhǔn)即可。

3.2 光電探測(cè)器數(shù)據(jù)處理分析

經(jīng)過標(biāo)定后的硅探測(cè)器，得到硅探測(cè)器光敏元的能量密度值和響應(yīng)值，基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，其探測(cè)器的響應(yīng)曲線大致分為以下3類，選擇其中3個(gè)探測(cè)器作為個(gè)例，如表3所示。其原始數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

表3 三類硅探測(cè)器原始數(shù)據(jù)表

圖6 硅探測(cè)器原始數(shù)據(jù)圖

由表3和圖6可以看出，第1類硅探測(cè)器的能量密度和響應(yīng)值具有較好線性，利用最小二乘法，通過線性擬合，得到擬合系數(shù)。對(duì)于像這樣的硅探測(cè)器，其擬合系數(shù)可作標(biāo)定系數(shù)。對(duì)于第2類硅探測(cè)器，其響應(yīng)曲線近似線性，該類探測(cè)器一般需要進(jìn)行相應(yīng)的修正工作。第3類硅探測(cè)器，它的最大響應(yīng)值比其他的稍小，但也有較好的線性，對(duì)于該類探測(cè)器應(yīng)將其歸于響應(yīng)值相同的類中。

在對(duì)硅第二類探測(cè)器標(biāo)定過程中，其多次測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 第二類硅探測(cè)器的多次測(cè)量數(shù)據(jù)

對(duì)第2類硅探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)校工作，采用不同的數(shù)學(xué)關(guān)系模型進(jìn)行標(biāo)校，得到的各個(gè)模型曲線。當(dāng)采用線性模型對(duì)其原始數(shù)據(jù)擬合時(shí)，得到線性標(biāo)定曲線如圖7所示。

圖7 硅探測(cè)器線性標(biāo)定圖

當(dāng)采用折線模型對(duì)其原始數(shù)據(jù)擬合時(shí)，得到折線標(biāo)定曲線如圖8所示。

圖8 硅探測(cè)器折線標(biāo)定圖

當(dāng)采用二次曲線模型對(duì)其原始數(shù)據(jù)擬合時(shí)，得到曲線標(biāo)定如圖9所示。

圖9 硅探測(cè)器二次曲線標(biāo)定圖

因此，對(duì)硅探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)校，其線性標(biāo)定模型數(shù)學(xué)表述為：

E=0.003 68U

(9)

其折線標(biāo)定模型數(shù)學(xué)表述如下：

(10)

其曲線標(biāo)定模型的數(shù)學(xué)表述如下：

E=-1.52×10-7U2+0.003 92U

(11)

4 標(biāo)定模型誤差分析

對(duì)于硅探測(cè)器光敏源的能量密度與響應(yīng)值之間的關(guān)系，雖然給出了3種數(shù)學(xué)關(guān)系模型，但并沒有對(duì)3種關(guān)系模型作比較分析，給出最優(yōu)模型。以下從分析硅探測(cè)器在3種關(guān)系模型下的相對(duì)誤差，確定硅探測(cè)器的最優(yōu)標(biāo)定模型。

(12)

可知硅探測(cè)器M組數(shù)據(jù)測(cè)量精度SRMS可以表示為

(13)

經(jīng)過式(3)計(jì)算，硅探測(cè)器在3種標(biāo)定模型下的相對(duì)誤差，如表5所示。

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)，對(duì)同一能量密度點(diǎn)下的多次測(cè)量的相對(duì)誤差取平均值，得到可見光波段通道單元探測(cè)器的3種標(biāo)定模型相對(duì)誤差，如圖10所示。

圖10 硅探測(cè)器的標(biāo)定模型相對(duì)誤差對(duì)比圖

由圖10可以看出，經(jīng)過折線模型標(biāo)定后的能量密度相對(duì)誤差，優(yōu)于線性模型標(biāo)定和二次曲線模型標(biāo)定。因此，對(duì)于需要修正的硅探測(cè)器模塊，優(yōu)先折線模型進(jìn)行修正。

依據(jù)公式(13)，可以得到硅探測(cè)器的測(cè)量精度。對(duì)于2個(gè)硅探測(cè)器標(biāo)定的測(cè)量精度為 3.45%。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)硅材料的光電探探測(cè)器搭建一套二維掃描標(biāo)定系統(tǒng)，進(jìn)行了以下標(biāo)定工作：對(duì)響應(yīng)不夠的硅探測(cè)，歸為其他類待用；對(duì)響應(yīng)曲線線性度較好的硅探測(cè)器，直接進(jìn)行最小二乘法擬合；將擬合參數(shù)作為標(biāo)定參數(shù)，對(duì)響應(yīng)曲線線性度稍差的硅探測(cè)器，進(jìn)行標(biāo)校工作，通過采用折線標(biāo)定模型，得到標(biāo)定參數(shù)。并將硅探測(cè)器標(biāo)定系數(shù)存入數(shù)據(jù)庫。該方法標(biāo)定效率高、標(biāo)定準(zhǔn)確性好，適用各個(gè)波段探測(cè)器標(biāo)定。文中以硅材料的光電探測(cè)器為例，經(jīng)過標(biāo)定后的硅材料的光電探測(cè)器，其測(cè)量精度為 3.45%。該方法對(duì)測(cè)量精度檢驗(yàn)校準(zhǔn)參考價(jià)值。

表5 硅探測(cè)器的相對(duì)誤差